郑星灿：

中国市政工程华北设计研究院有限公司总工程师

这是我第二次参加在宜兴举办的概念工厂研讨会。在去年的研讨会上，我做了一个演讲。今年的演讲将更多地关注国内城市污水处理的发展，并根据这些情况思考我们下一步应该做什么。在讨论未来城市污水处理厂时，除了理念和理念外，还需要特别关注一些国内特有的问题。

初期雨水何时全面纳入城市污水处理厂服务范围？

表1展示了我国城市污水处理厂建设的概况和发展预测：从最早的几座污水处理厂到现在的3800多座。我个人预计到2015年底，座位数接近5000个；到2020年，座位数应达到1万个以上；到2030年，座位数肯定会超过2万个。虽然数量在增加，但总体处理规模并不是线性增加，这意味着当前和未来污水处理厂的平均单体规模将变得越来越小。 2020年到2030年，将有一个重要的变化特征：我们将雨水特别是初期雨水纳入考虑范围，这将导致许多大城市和特大城市污水处理厂的设计处理能力至少放大超过50%。但这个过程可能需要20到30年甚至更长时间。

表1：城镇污水处理厂工程建设发展趋势

预计到2020年左右，部分城市将实施初步雨水净化处理。大约10年后，我认为可能会达到5000万立方米/天以上的规模。当然，也有这种可能：根据我国近年来的发展特点，如果经济条件满足的话，会有更高的发展速度！这会带来哪些新问题？未来的污水处理厂需要考虑的不仅是已经存在的诸多问题，还要考虑未来纳入雨水后如何进一步解决问题。

2、新建污水处理厂建设与现有污水处理厂提标改造有何区别？

另一个需要考虑的问题是，现有污水处理厂和新建污水处理厂的建设标准有什么区别？首先，随着排放标准和环境质量要求的普遍提高，现有城镇污水处理厂面临就地升级改造或搬迁两种模式的选择。总体而言，在特大城市和大城市，异地搬迁、新建、扩建是普遍现象和典型现象。比如成都、天津、杭州等地都出现过这种情况，多厂合并、超大规模。在国际上，新加坡也非常典型。它原本有十几座污水处理厂，他们的目标是把它们改造成两个超大型污水处理厂（再生水厂）。另一种是就地标准提升和改造，但需要同时解决标准提升和景观环境建设（邻避）问题。

未来我国新建的污水处理厂大部分位于村镇一级。相对而言，单个工厂的设计规模很小。正是因为规模小、数量多，一方面给新技术的推广应用带来了各种机遇。无论是厌氧氨氧化还是其他新技术，都会有很多不同的实施模式。这些模式和工艺技术的结合不仅给大企业带来了许多创新的发展机会，也给创新型的中小企业带来了许多创新的发展机会。另一方面，从长远来看，如果这些污水处理厂只有几百立方米、几十立方米，是不可能长期生存的。它们迟早会合并，日处理量达到数万立方米，甚至A级5万立方米。我之前提到的奥地利施特拉斯污水处理厂就是尝试进行主流工艺厌氧氨氧化产能测试的工厂。这是一座污水处理厂，合并了十多个小镇的污水。它是由十几个乡镇共同经营的。资金共享、建设运营，正常情况下日处理能力约为3万立方米，随季节变化。我想国内也会出现类似的发展趋势。

3、未来的污染物排放标准应该是怎样的？

表2为北京市颁布的城镇污水处理厂污染物排放标准。可见，所有新建、改建、扩建的污水处理厂都必须达到所谓“四类水”标准。所谓“四类水”其实是假四类水，并不是真正意义上的四类水，因为总磷、总氮的限量明显不符合四类水的标准要求，而且即使属于IV类水，水标准也是河流水质标准，而不是湖泊、水库水质标准。对于大多数城市水体来说，无论河流有多长，它都不再是真正意义上的河流，而只是河流形的湖泊和水库系统。因此河流型湖库水体系统应按湖库水质标准执行，而这条河流的水质标准要低得多。就北京地区而言，考虑到现有城镇污水处理厂执行的标准与现行国家标准完全相同，可以说，北京的四类水并不是真正的，而且大多数污水处理厂都已没有实现它。按照“IV类水”标准，只有新建或改建后，部分指标才能达到河流IV类水的要求。北京市“四类水”标准通过提高氨氮排放标准，将总氮排放标准值控制在更加合理可行的水平，考虑更加合理。但将CODcr排放标准值分别调整为30mg/L和20mg/L是荒谬的，缺乏足够的科学依据。

表2 北京市城镇污水处理厂污染物排放标准（摘要）

注：新建（改、扩建）城镇污水处理厂：排入二、三类水体，执行A标准；排入IV、V类水体，符合B标准。现有城镇污水处理厂：基本控制项目限值与国家标准相同，排放水体类别与新建、扩建相同。

我们来看看天津（表3）。这是2015年颁布的最新地方排放标准。与北京标准相比，CODcr最低值为30毫克/升，而不是20毫克/升。其他指标与北京标准类似。天津要求所有现有污水处理厂自2018年1月1日起执行该标准，而北京则没有明确的执行期限。这些地方标准的出台应该说是必要的、合理的，但我个人认为，这些标准中的一些误导性问题也值得关注。

表3 天津市城镇污水处理厂污染物排放标准（摘要）

注：新建（改、扩建）城镇污水处理厂：设计规模≥1万吨/日时，执行A标准；万吨/日>设计规模≥1000吨/日时，执行B标准；设计规模

从长远来看，我们应该采用什么样的排放标准？如果考虑CODcr、BOD5、SS等常规指标，合适的CODcr应该是多少？ 15、20 或 50 毫克/升？什么是 BOD5？什么是SS？总氮应该是多少……我认为以我们现在的污水处理技术，就达标监测而言，对于城市污水中有机物的去除，只需要控制一个指标——氨氮指标就足够了。如果氨氮指标能够低于1mg/L或2mg/L，则CODcr、BOD5、SS均能满足合理的标准值要求，或者达到经济上合理可行的技术限值。处理后的水中剩余的CODcr是可溶的且不可生物降解。除了给环境本身造成一定的颜色外，如果是天然物质，基本上不会造成任何危害，更不会造成水体黑臭。因此，如果强制要求CODcr达到20mg/L或30mg/L的标准，特别是在未来污水浓度越来越高的情况下，除极特殊情况外，这样的标准似乎太费力而且成本太高。当然，一些特殊工业园区也有例外，这些工业园区可能含有不同类型的未知有毒、有害和持久性微量污染物。

我们在考虑氨氮指标的时候，一定要考虑总氮去除率。生物反硝化是一种节能工艺。总氮和氨氮指标对水环境质量影响较大。氨氮是直接耗氧污染物，总氮能促进水体生物量的形成。从理想的目标来看，总氮的标准限值应尽可能低，但也不是绝对的。国际上也有一些研究：在城市景观水体和一般水体中，如果有足够的硝酸盐含量，水体就不会黑臭。从某种程度上来说，水体中硝酸盐含量高对于景观水体的水质并不一定是坏事。当然，从饮用水源或者其他生态环境影响的角度来看，是越低越好。然而，任何环境问题都与经济指标有关。设计达到什么水平，就需要资金投入。没有投入就不可能达到相应的预期效果。既然考虑了总氮，那么总氮是最重要的吗？我在这里提出的观点可能与国内一些专家的观点不同，但与国际上通行的观点基本一致。我认为，除了氨氮之外，还必须考虑总磷。总磷和总氮对水质的影响主要是藻类的形成。过度生长。我们都知道藻类生长所需的氮和磷之间存在比例关系，那么这个比例关系是什么呢？

根据我们从不同文献中总结的粗略数据，造成富营养化的蓝藻含有约9%的氮和约0.9%的磷，因此比例约为10：1。可以大致解释氮、磷对水体和藻类的生长会产生什么样的影响。不难看出，从潜在耗氧指数来看，大致为140:10:1。也就是说，1毫克/升的总磷可以产生需氧量（CODcr）为140毫克/升的生物质；同样，1毫克/升的总氮可以产生耗氧量为10毫克/升的生物质。这大概就是他们之间的关系。若水中总磷为0.05mg/L，总氮为0.5mg/L，则形成的藻类耗氧量（CODcr）约为5mg/L；总磷0.1mg/L。当总磷为0.2mg/L时，形成的耗氧量为20mg/L。什么条件下总磷浓度能够达到太湖那样的藻类大爆发？答案是，当总磷达到0.1mg/L以上时就有可能。

因此，我们需要将水中总磷浓度控制在0.05mg/L以下。从这个角度来说，如果总磷控制不好，总氮再低也解决不了问题。如果要达到与总磷0.05mg/L相同的防藻效果，总氮需要达到0.5mg/L。由此可见，未来控制水体富营养化最重要的指标之一就是总磷。总磷第一，氨氮第二，总氮第三。如果这三个指标得到控制，CODcr、BOD5、SS等常规指标就会受到控制，无需严格限制。甚至可以说，在城镇污水正常排放标准较高的情况下，取消这三项指标或者取消其达标监管也是合理的。当然，总磷还必须区分生物可利用磷和非生物可利用磷。正磷酸盐很容易被藻类利用，而金属磷酸盐则很难被藻类利用。因此，未来城镇污水处理厂出水标准应以周或月平均总磷0.1mg/L为目标限值。

此外，未来城市污水处理厂还需要考虑非常规污染物，特别是持久性微量有机污染物的去除能力。这些指标一旦考虑，就会影响排放标准的指标以及污水处理工艺的技术路线。选择。

4、城市污水处理工艺技术如何选型？

在工艺技术选择方面，图1显示了几年前收集的城镇污水处理厂工艺技术类型的分布。这是按照传统的表达方式来概括的。在实际项目中，工艺技术有多种类型和组合。以下是一些示例。随着城市建成区边界不断扩大，对周边环境的影响和邻避问题日益突出。搬迁新建的方式，使得天津纪庄子污水处理厂不复存在，而纪庄子污水处理厂在我国城镇污水处理的发展中发挥了重要作用。在我国占有非常重要的地位，经历了多次升级和扩建，从普通活性污泥法到除磷、反硝化，再到高品位再生水。 2000年左右，新加坡也同时使用微滤膜再生水技术。新加坡站在国家战略需求的高度，大力发展再生水利用。此后，它迅速大规模发展，并产生了国际影响。由于多种原因，天津、北京再生水发展规模有限，失去了形成国际影响力的良好机遇。但无论如何，在从传统砂滤到膜过滤、反渗透的发展过程中，我们积累了十几年的工程实践经验，膜过滤设备产品也全面实现了国产化、规模化发展。

图1 我国城镇污水处理厂工艺技术选型

在除磷、脱氮方面，最早应用A2/O工艺的是广州某污水处理厂。但该污水处理厂的进水水质缺乏典型的城市污水特征。主要原因是进水CODcr浓度小于200mg/L，而根据当时设计规范确定的进水BOD5为200mg/L，相当于CODcr约为450 毫克/升。后来的泰安污水处理厂就比较典型了。进水浓度较高，但碳氮比较低，远低于国际水平。因此，回流污泥中的硝酸盐对生物除磷性能有很大影响。经过现场测试和研究，泰安污水处理厂首次采用了多点进水预反硝化的改进A2/O工艺。

除磷脱氮工程的另一个成功案例是青岛李村河污水处理厂。你可能对这种植物不太了解。它建于20世纪90年代初。该工厂的工艺选择是我们与 Glen Daiger（国际水协会前主席）共同合作的产物。当时我们坚持使用我们建议的改进型A2。 /O流程，他坚持推荐他们的VIP流程。经过不断的讨论和交流，他最终决定将两种不同的工艺结合在一起。为了方便演示，他声明为A/O。过程，但实际上是一个集成的过程，有多种运行模式，可以灵活调整。虽然是20世纪90年代建成的，但直到现在也没有落后。该厂污水浓度较高。几年来，已升级为A级标准，IFAS工艺单元并入好氧区。取得了非常成功的效果，出水稳定达到A级标准。

青岛海博河污水处理厂是中国一座非常成功的AB法污水处理厂。于20世纪90年代初建成并投入使用。进水浓度高，污泥厌氧消化系统运行良好。不幸的是，这家工厂在升级过程中进行了重大流程更改。如果能够保存下来，可以作为主流工艺厌氧氨氧化产能实验研究的好场所。

微信朋友圈里曾经有过这样的讨论：我们的污水处理厂除了设计好之外，运营好也很重要。有人问，未来的概念工厂都是博士、硕士来经营吗？我们确实需要一批博士、硕士进入污水处理厂。在欧美国家，一些污水处理厂的厂长是博士。正是因为有了个人的兴趣，污水处理厂才能进行更多更好的实验研究和生产力验证。 20世纪90年代初，青岛开始建设三座大型污水处理厂。当时引进的新毕业生中，有一批来自名牌大学的硕士和本科生，促进了后来更好的发展。

另一个典型案例是2007年我们完成了无锡芦村污水处理厂标准提升改造工程的设计。事实上，早在一期工程建设期（20世纪80年代中期）就推荐了A2/O工艺，但业主并未采用，专家意见也不一致。到了20世纪90年代中期，二期工程建设过程中，大家已经认识到除磷和反硝化的重要性，并采用了A2/O工艺。但实际使用的泥龄较短，影响了后续的升级改造，特别是生物池容量明显不足。该厂甲级标准改进工程设计中，在全面强化预处理功能（格栅、初沉池）的同时，将原生物池改造为改进型A2/O工艺，并安装在好氧区部分工段。添加可流态化悬浮填料，形成活性污泥-生物膜复合IFAS工艺系统，重点解决冬季低温时期硝化能力不足的问题。同时增加了反硝化区的体积比例，增强了生物脱氮能力。随后的深度处理部分采用机械过滤和膜过滤技术，处理出水达到A级标准。

图2 无锡市芦村污水处理厂一、二期提标改造生物池布局及实景

青岛团岛污水处理厂也是一个比较典型的案例（图3）。最初采用改进的A2/O工艺和德国污水处理设备，设计规模为10万立方米/天。后来在进行甲级升级改造设计时，将IFAS工艺单元融入改进后的A2/O工艺中，出水水质稳定，达到甲级要求。总体来看，青岛三座污水处理厂（海波河、团岛河、李村河）运行情况良好。团岛污水处理厂最大的特点是进水总氮浓度很高。事实上，该厂对于预测未来的污水处理厂具有一定的代表性意义。基本上以生活污水为主要来源，进水浓度较高，总氮较高。前端污水管网系统较为完善，基本无化粪池。他们目前正在使用生物膜方法对侧流厌氧氨氧化工艺进行应用测试。它可能会在年内启动，并应在未来两年内完成并投入运营。如果建成并稳定运行，将为该装置开展主流工艺厌氧氨氧化的生产性试验提供良好的条件和场所。

图3 青岛团岛污水处理厂升级改造

20多年来，国际上典型的城市污水处理工艺技术在我国本土化、创新化发展，形成了相对成熟、稳定、可靠的适用技术。基于这些成熟的技术，天津津南污水处理厂采用了什么样的技术方案？本工艺技术方案采用更复杂、更稳定可靠的除磷、反硝化工艺系统。能达到的稳定出水水质一般为A级，运行优化后会优于A级，同时继续使用双膜。一种高品位再生水的生产方法。另一方面，如图4所示，污泥采用高浓度厌氧消化。污泥不仅来自工厂，也来自外部污水处理厂。该厂进行了许多新的尝试，例如沼液磷酸盐。沼液回收、厌氧氨氧化脱氮，产生的沼气用于污泥热干化和生产液化石油气。如果全部建成并成功运行，将成为新技术综合应用的综合示范工程。

图4 天津市津谷污水污泥处理工艺示意图

结合以上案例分析以及近年来国际上的新发展新变化，我们可以简单总结出污水处理技术有以下几个基本趋势：

首先考虑能源利用，从全部好氧处理转向部分厌氧处理。

二是由低浓度污泥厌氧消化转为高浓度污泥厌氧消化，并对污泥进行裂解预处理。

三是资源利用，主要是磷酸盐的回收利用，氮肥的回收利用也有考虑。回收磷有多种方法。无论采用化学除磷还是生物除磷，对磷肥回收过程都有不同的影响。德国更喜欢从污水污泥焚烧灰中回收，其他一些国家更喜欢沼气磷酸盐回收。污水回收我们都很熟悉。国内技术成熟，规模世界一流，技术产品质量也相当高。

第四，在除磷和反硝化工艺方面，如何从传统的除磷和反硝化工艺转向厌氧氨氧化的应用。侧流现在已经比较成熟了。至于主流技术，据我了解，目前国内有五六个团队开始进行这方面的研发。

第五，好氧颗粒污泥等更多组合将通过更多不同的工艺组合或融合方式实现。这看起来很理想，但实际情况是我们会面临很多需要解决的问题，而这些问题会影响我们在污水处理发展中工艺技术的应用和选择。

主要问题是什么？首先我们来看看。从目前整体发展趋势来看，国内工艺需求与国外工艺需求存在一定差异。以主流工艺厌氧氨氧化为例。欧美国家追求能源转换和碳中和的理想目标。同时，他们适当考虑了磷酸盐等资源的利用，而没有过多考虑废水的回收利用。在中国，城市污水处理厂能否实现真正的能源平衡？我个人的看法是不太可能。原因如下：在中国，能够做到低碳、低消耗是非常好的。我们任何时候的首要目标都是出水稳定达标，而且排放标准会越来越高。这与欧美国家较低的排放标准不同。灵活的监管政策明显不同。而且，这种理念和监管实践短期内不会发生根本性改变。从技术上来说，无氧技术又回来了，我们也面临一些问题需要解决。 AB法即将回归，但仅靠AB法还不够。任何时候，达到标准都是第一要务。能源资源利用特别是能源平衡必须以稳定达标为基础。因此，还有很长的路要走。

5、污水处理厂运行绩效主要制约哪些因素？

城市污水水质、水量时空变化明显、城市污水碳氮比普遍偏低、进水无机悬浮物含量普遍偏高等问题是我们无法回避的。低水温和工业废水。非常重要的影响因素。在这些影响因素中，我们来看看。进水的 SS/BOD5 比率非常高。通常应为 1.0 至 1.1。在许多污水处理厂中，进水的SS/BOD5比为1.5至2.0，甚至更高。图5为某污水处理厂初沉池清洗生物曝气池时底部沉积的沉积物。该厂的情况是，平均比值基本在1.5~2.0之间，导致活性污泥平均MLVSS/MLSS比值在0.4左右（范围0.3~0.5）。初沉池改进运行后，MLVSS/MLSS可达到0.5的水平。如果初沉池不运行，有时会低至0.3左右。这就是我们城市污水处理厂的进水水质与国际上明显不同的地方。世界范围内，欧美国家污水处理厂的活性污泥MLVSS/MLSS比值大部分都能达到0.7以上，但即使达到0.4，也还不到0.7。他们的水平是60%。

图5 影响城镇污水处理厂运行绩效的主要因素（以SS/BOD 5 比值为例）

简单来说，国内城市污水平均碳氮比约为国际水平的50%。因此，要达到同样的总氮去除要求，会遇到很多困难。在如此困难的条件下，我国开始采用初沉发酵池或初沉污泥发酵等工艺技术，尽可能去除无机悬浮物，并尽量让初沉污泥中的有机物进入后续的生物处理工艺。在单位内；在后来改进的A2/O工艺的基础上，一些新工艺增加了缺氧/O，末端水力停留时间更短。采用好氧单元考虑外部碳源的添加和深度反硝化。当然，加法和反硝化时间可能很短，这是一种非常有效的方法（方法）。但是，这需要增加外部碳源并增加运营成本。我们还有一些新的研究结果，有利于在厌氧部分增加外部碳源。因为将大多数乙酸碳源添加到厌氧罐中时对去除生物磷非常有益，这对于减少废水中的总磷非常有益而不会影响整体碳氮的比率和去硝化作用。这可以实现一种具有两种用途的碳和具有多种用途的碳的效果。此外，越来越多的污水处理厂采用以下两种过程技术：一个是结合活性污泥和填充物的IFA工艺，另一个是MBR，两者都可以实现节省土地的效果。 MBR能耗相对较高。从当前情况来看，有时是必须采用的过程。

因此，在当前条件下，我们开始考虑的未来污水处理厂工艺流量应该是什么样的？正如专家委员会的讲话中提到的那样，将厌氧铵氧化作为主要过程单位？如何整合它？这里必不可少的是我们正在讨论的一些过程。其中之一自然是必不可少的。首先是碳，氮和磷的分离，然后是主流过程厌氧铵氧化反硝化。同时，我们必须继续有效地解决沉积物分离的问题和低温的影响...目前，我们还必须考虑碳源的合理分配。如果总氮达到约5 mg/L的水平，是否仍然有大量的碳源可用于厌氧消化和污泥的能量利用？据估计，许多地方都没有，但是在北京和天津等大城市中可能有可能。因此，我个人认为，在一定程度上，对于中国的污水处理厂的未来发展，即使采用主流厌氧铵氧化过程来有效去除氮，理想的目标（例如能量和碳中立性）仍必须是在一定程度上牺牲。 ，有效地确保处理的废水达到稳定的标准。简而言之，无论如何，对于任何新的流程技术，您都必须找到一种方法来有效地将新的流程单元集成到现有过程系统中。这是一种模式。在这种模式下的碳分离非常重要。当前有几种类型的碳分离：第一个是AB方法的A部分。当然，也可以使用化学方法，但是我们宁愿在某些条件下使用化学方法，将化学和生物学结合使用。这种模式可以有效地实现碳，氮和磷的分离，这对处理水和能量回收的稳定依从性非常有益。

另一个例子是，如果我们完全考虑了主流过程中磷回收的可能性，则可以将生物磷的去除与生物解硝化分开，然后将其与主流过程厌氧铵氧化结合。实际上，将来可能的实施模型中，将会有各种组合，这将有助于我们未来的污水处理技术的新开发。这里的每个人都可以全面发挥自己的想象力和才华，利用自己的资源并进行不同的尝试。这里引用的示例是我们目前正在讨论和研究的内容，并准备在将来尽快实现工程目标和可能的过程流程。当然，此过程还将结合诸如厌氧污泥消化之类的技术，并最终成为重要组成部分。

有一个说法：您可以跨越历史记录，但是您不能切断连接。我们必须继续根据现有技术和工程实践来创新，扩展和改进，以便我们可以拥有更好的解决方案，并在将来实现更好，更快的发展。

（本文来自：郑Xingcan在“ 2015年（第三）中国环境保护技术与工业发展促进会议上的概念工厂子教堂上的演讲”）

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